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数控机床常见故障诊断与维修
数控机床常见故障诊断及维修
摘要：数控机床是集机、电、液、气、光高度一体化的现代技术设备，数控机床维修技术不仅是保障数控机床正常运行的前提，对数控机床的发展和完善也起到了巨大的推动作用。数控机床出现的故障多种多样，机械磨损、机械锈蚀、机械失效、加工误差大、工件表面粗糙度大、插件接触不良、电子元器件老化、电流电压波动、温度变化、干扰、滚珠丝杠副有噪声、软件丢失或本身有隐患、灰尘、操作失误等都可导致数控机床出故障。
关键词：数控机床 故障诊断 维修 机械 电子
数控机床是一种集自动控制、计算机、微电子、伺服驱动、精密机械等技术于一身的高技术产物。一旦系统的某些部分出现故障，就势必使机床停机，影响生产。所以，如何正确维护设备和出现故障时迅速诊断，确定故障部位，及时排除解决，保证正常使用，是保障生产正常进行的必不可少的工作。
1 数控机床故障诊断原则
1.1 先外部后内部
数控机床是集机械、液压、电气为一体的机床，故其故障的发生也会由这三者综合反映出来。维修人员应先由外向内逐一进行排查，尽量避免随意地启封、拆卸，否则会扩大故障，使机床大伤元气，丧失精度，降低性能。
1.2 先静后动
先在机床断电的静止状态，通过了解、观察测试、分析确认为非破坏性故障后，方可给机床通电。在运行工况下，进行动态的观察、检验和测试，查找故障。而对破坏性故障，必须先排除危险后，方可通电。
1.3 先简单后复杂
当出现多种故障互相交织掩盖，一时无从下手时，应先解决容易的问题，后解决难度较大的问题。往往简单问题解决后，难度大的问题也可能变得容易。
1.4 先机械后电气
一般来说，机械故障较易发觉，而数控系统故障的诊断则难度较大些。在故障检修之前，首先注意排除机械性的故障，往往可达到事半功倍的效果。
2 数控机床常见故障分析
根据数控机床的构成，工作原理和特点，将常见的故障部位及故障现象分析如下。
2.1 数控系统故障
2.1.1 位置环　这是数控系统发出控制指令，并及位置检测系统的反馈值相比较，进一步完成控制任务的关键环节。它具有很高的工作频度，并及外部设备相联接，容易发生故障。
常见的故障有：
①位控环报警：可能是测量回路开路；测量系统损坏，位控单元内部损坏。
②不发指令就运动，可能是漂移过高，正反馈，位控单元故障；测量元件损坏。
③测量元件故障，一般表现为无反馈值；机床回不了基准点；高速时漏脉冲产生报警的可能原因是光栅或读头脏了；光栅坏了。
2.1.2 电源部分　电源是维持系统正常工作的能源支持部分，它失效或故障的直接结果是造成系统的停机或毁坏整个系统。
由于中国电源波动较大，还隐藏有如高频脉冲这一类的干扰，加上人为的因素（如突然拉闸断电等）。这些原因可造成电源故障监控或损坏。另外，数控系统部分运行数据，设定数据以及加工程序等一般存贮在ram存贮器内，系统断电后，靠电源的后备蓄电池或锂电池来保持。因而，停机时间比较长，拔插电源或存贮器都可能造成数据丢失，使系统不能运行。
2.1.3 可编程序控制器逻辑接口　数控系统的逻辑控制，如刀库管理，液压启动等，主要由plc来实现，要完成这些控制就必须采集各控制点的状态信息，如断电器，伺服阀，指示灯等。因而它及外界种类繁多的各种信号源和执行元件相连接，变化频繁，所以发生故障的可能性就比较多，而且故障类型亦千变万化。
2.1.4 其他　由于环境条件，如干扰，温度，湿度超过允许范围，操作不当，参数设定不当，亦可能造成停机或故障。
2.2 进给伺服系统故障
进给伺服系统的故障报警现象有三种：一是利用软件诊断程序在crt上显示报警信息；二是利用伺服系统上的硬件（如发光二极管、保险丝熔断等）显示报警；三是没有任何报警指示。
2.2.1 软件报警形式
现代数控系统都具有对进给系统进行监视、报警的能力。在crt上显示进给驱动的报警信号大致可分为三类：
①伺服进给系统出错报警 这类报警的起因，大多是速度控制单元方面的故障引起的，或是主控制印刷线路板内及位置控制或伺服信号有关部分的故障。
②检测出错报警 指检测元件（测速发电机、旋转变压器或脉冲编码器）或检测信号方面引起的故障。
③过热报警。
2.2.2 硬件报警形式
硬件报警包括速度单元上的报警指示灯和保险丝熔断以及各种保护用的开关跳开等报警。报警指示灯的含义随速度控制单元设计上的差异也有所不同。一般有下述几种。
①电流报警 此时多为速度控制单元上的功率驱动模块损坏。检查方法是在切断电源的情况下，用万用表测量模块集电极和发射极之间的阻值，及正常值相比较，以确认该模块是否损坏。
②高电压报警 原因是由于输入的交流电源电压超过了额定值的10%，或是电动机绝缘能力下降，或是速度控制单元的印刷线路板接触不良。
③电压过低报警 由于输入电压低于额定值的85%或是电源连接不良引起的。
④速度反馈断线报警 多是由伺服电动机的速度或位置反馈线不良或连接器接触不良引起的。
⑤保护开关动作 此时应首先分清是何种保护开关动作，然后再采取相应的措施解决。如伺服单元上热继电器动作，应先检查热继电器的设定是否有误，然后再检查机床工作时的切削条件是否太苛刻或机床摩擦力矩是否太大。
⑥过载报警 造成过载报警的原因有机械负载不正常，或是速度控制单元上电动机电流的上限值设定的太低。
2.2.3 无报警显示的故障
这类故障多以机床处于不正常运动状态的形式出现，故障的根源在进给驱动系统。
①机床失控 由于伺服电动机内检测元件的反馈信号接反或元件故障本身造成的。
②机床振动 此时应首先确认振动周期及进给速度是否成比例变化，如果成比例变化，则故障的原因是机床、电动机、检测器不良，或是系统插补精度差，检测增益太高；如果不成比例，且大致固定时，则大都是因为及位置控制有关的系统参数设定错误，速度控制单元上短路棒设定错误或增益电位器调整不好，以及速度控制单元的印刷线路不好。
③机床过冲 数控系统的参数（快速移动时间常数）设定的太小或速度控制单元上的速度环增益设定太低都会引起机床过冲。另外，如果电动机和进给丝杠间的刚性太差，如间隙太大或传动带的张力调整不好也会造成此故障。
④机床在快速移动时振动或冲击 原因是伺服电动机内的测速发电机电刷接触不良。
2.3 机械故障
所谓机械故障，就是指机械系统（零件、组件、部件、整台设备和设备组合）因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。如机床运转不平稳、轴承噪声过大、机械手夹持刀柄不稳定等现象都是机械故障的表现形式。
数控机床的机械故障主要包括机械结构、润滑、冷却、排屑、液压、气动和防护等装置。常见的主机故障有：因机械安装、调试和操作使用不当等原因引起的机械传动故障及导轨运动摩擦过大故障。故障表现为传动噪声大、加工精度差、运行阻力大。
3 数控系统常见故障维修实例
3.1 fanuc 0—m数控铣床，主轴或其它轴运动时出现摆动现象
现象：在手轮状态下移动主轴，移动一段距离（约20mm），主轴出现颤动。
原因：数控系统的参数设置及实际的伺服装置不相匹配。
解决方法：查阅参数设置说明书及伺服装置说明书，将其相应的参数设置进行修改使之匹配。此类故障往往是由于数控系统的参数受到干扰引起参数变化而导致的故障。
3.2 fanuc 0—m数控铣床，主轴拉刀时出现报警
故障现象：手动状态下，主轴拉刀时，有时出现报警。
产生问题的原因及解决方法：报警信息为压缩空气压力不足，经检查空压机工作正常，气压压力表指示气压符合要求，气压管路无破损漏气现象。而故障为时有时无，经分析引起故障的原因可能是压力开关设定不良、压力开关故障、压力开关接触不良。经检查压力开关及压力开关设定均正常。于是，打开主轴箱护盖，观察主轴拉刀动作，发现主轴在拉刀时，一个检查主轴拉刀是否到位的行程开关松动，致使主轴拉刀到位信号不能送到数控系统，将该行程开关调整好位置拧紧，问题得以解决。
3.3 fanuc 0—m数控铣床，加工过程中，出现z轴过载报警
故障现象：机床在加工的过程中，机床的z轴出现过载，刚开始出现故障的时候，频率不频繁，关机后重新开机，该故障可以自动消失，随加工时间的增长，出现该故障的频率越来越高，且关机后重新开机，系统在进行自检的时候就出现报警，以至于自检通不过，机床开不了机。
故障原因：产生过载的原因一是伺服电机发热，热保护开关（双金属片构成）动作，二是伺服系统瞬时电流过大，引起过电流保护。
解决方法：通过故障的现象，由于开机时就产生报警，怀疑是伺服电机内部的热保护开关损坏，双金属片不能闭合（正常情况下，该金属片是闭合的打开产生故障的伺服电机的保护盖，找出热保护开关的两个接线点，测量这两个接线点，发现是闭合的，说明热保护开关是正常的。断开过流保护，重新开机，该故障现象仍然存在。最后怀疑，有可能是热保护开关到cnc系统的线路接触不良造成的，但仔细测量z轴电机到系统板之间的电缆连线，发现电缆也没有问题。怀疑是编码器出现故障，采用交换法，将z轴的编码信号及x轴或y轴对调，结果该故障又出现在被调换的轴上，从而确认是z轴编码器出现故障，更换z轴编码器，问题得到解决。
3.4 华中i型数控车床
故障现象：零件加工尺寸不稳定或不准确。
分析故障原因：
①滚珠丝杠轴承或钢球有损坏。
②电机及丝杠连接同步齿形带磨损后，使传动链松动。
③反向间隙变化或设置不适当。
④滚珠丝杠的预紧力不适当。
故障排除方法：直观看齿形带传动状况稳定，于是重新测量反向间隙，经测量反向间隙及设置补偿量差距过大，重新进行设置补偿，故障排除。
3.5 华中i型数控车床
故障现象：数控车床回转刀架故障。
①nc系统有输出换刀信号，但刀架不转动。
分析故障原因：机械卡死或刀架电机无信号输入。
故障排除方法：机械卡死应拆开重新清洗修配后，加以润滑处理后装好。无信号输入则测试电路断路源，检查继电器是否损坏或连接电缆断路。
②刀架连续运转到位不停。
分析故障原因：霍尔元件开路或短路，控制电路中刀架反转继电器无法接通。

故障排除方法：打开刀架，检查霍尔元件是否损坏，损坏则予以更换。测试反转继电器损坏，予以更换。
③刀架越位过冲或转不到位。
分析故障原因：霍尔元件位置不当。
故障排除方法：调整霍尔元件及磁钢的相对位置，一般霍尔元件位置超前磁钢约1/3。
4 结语
数控机床故障的产生是多种多样的。维修时需要根据现象分析、排除，最后达到维修的目的。切勿盲目的乱动，否则可能会导致故障更加的严重。在面对数控机床故障和维修问题时，要防患于未燃，不能在数控机床出现问题后才去解决问题。
参考文献：
[1]韩鸿鸾主编.数控机床维修实例[m].中国电力出版社，2006.
[2]邓三鹏.现代数控机床故障诊断及维修[m].北京：国防工业出版社，2009.
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[4]杜国臣.机床数控技术[m].北京：中国林业出版社，2006.转贴于中国论.

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